JP2016171419A - Cpt resonance generation method, cpt resonance detection method, cpt resonance generator, atomic oscillator, magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CPT共鳴発生方法、CPT共鳴検出方法、CPT共鳴発生装置、原子発振器、磁気センサに関する。 The present invention relates to a CPT resonance generation method, a CPT resonance detection method, a CPT resonance generation apparatus, an atomic oscillator, and a magnetic sensor.
極めて正確な時間を計る時計として原子時計があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする原子発振器である。アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは、外乱がない状態では非常に精密な値が得られるため、原子発振器は水晶発振器に比べて数桁高い周波数安定性を得ることができる。 There is an atomic clock as a clock for measuring extremely accurate time, and a technique for downsizing the atomic clock has been studied. An atomic clock is an atomic oscillator based on the amount of transition energy of electrons constituting atoms such as alkali metals. Since the transition energy of electrons in an alkali metal atom is very precise in the absence of disturbance, an atomic oscillator can obtain frequency stability several orders of magnitude higher than that of a crystal oscillator.
従来の原子発振器は、マイクロ波共振器が必要であったため、大型かつ電力消費も大きかった。しかし、Coherent Population Trapping(以下、CPT)と呼ばれる原子共鳴を利用することで共振器が不要となり、非常に小さなサイズの原子発振器の作製が可能となった。2007年にはCPT方式の原子発振器のプロトタイプが製作され、2011年には米Symmetricom社から民生品が販売された。 Conventional atomic oscillators require a microwave resonator and are therefore large and consume a large amount of power. However, the use of atomic resonance called Coherent Population Trapping (hereinafter referred to as CPT) eliminates the need for a resonator and makes it possible to fabricate a very small atomic oscillator. In 2007, a prototype CPT type atomic oscillator was manufactured, and in 2011, consumer products were sold by Symmetricom.
CPT方式の原子発振器では、図1に示すように、レーザ発光素子等の光源910と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル940と、アルカリ金属セル940を透過したレーザ光を受光する光検出器950とを有している。光源910からのレーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の2つの遷移を同時に行い、励起する。
In the CPT type atomic oscillator, as shown in FIG. 1, a
この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。そこで、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、光検出器950において検出された信号を変調器960にフィードバックし、変調器960によりレーザ素子等の光源910からのレーザ光の変調周波数を調整する。なお、レーザ光は、光源910より発せられ、コリメートレンズ920及び4分の1波長板930を介し、アルカリ金属セル940に照射され、光検出器950に入射する。
The transition energy in this transition is invariant, and when the sideband wavelength of the laser light coincides with the wavelength corresponding to the transition energy, a transparency phenomenon occurs in which the light absorption rate in the alkali metal is lowered. Therefore, the wavelength of the carrier wave is adjusted so that the light absorption rate by the alkali metal is lowered, and the signal detected by the
ところで、従来型よりも小型かつ省電力を達成したCPT方式の原子発振器ではあるが、周波数安定度に関しては従来型の特性に未だ到達しておらず、更なる向上が望まれている。周波数安定度を向上させる有力な方法として、レーザ光をパルス化する方法が検討されている。 By the way, although it is a CPT-type atomic oscillator that achieves smaller power consumption than the conventional type, the frequency stability has not yet reached the characteristics of the conventional type, and further improvement is desired. As a promising method for improving the frequency stability, a method of pulsing laser light has been studied.
CPT方式の原子発振器において、レーザ光をパルス化する方法は大きく分けて2つある。レーザ光をパルス化する第1の方法は、外部装置を用いる方法である。第1の方法では、レーザ発光素子を常に発光させ続け、レーザ発光素子の波長を原子の吸収線に一致させることで安定化させ、AOM(Acousto-Optic Modulator:音響光学素子)や液晶偏光子等の外部装置を介することでパルス化する。第1の方法では、レーザ波長の安定化は容易であるが、外部装置を用いることによる体積、コスト、及び消費電力の増加が問題となる。 In a CPT type atomic oscillator, there are roughly two methods of pulsing laser light. The first method for pulsing the laser light is a method using an external device. In the first method, the laser light-emitting element is always made to emit light, and the wavelength of the laser light-emitting element is stabilized by matching the absorption line of the atom, and an AOM (Acousto-Optic Modulator), a liquid crystal polarizer, etc. Pulsed through an external device. In the first method, it is easy to stabilize the laser wavelength, but there is a problem of increase in volume, cost, and power consumption due to the use of an external device.
レーザ光をパルス化する第2の方法は、直接変調を用いる方法である。第2の方法では、レーザ発光素子以外に特別な装置が不要となり、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。第2の方法の一例としては、レーザ発光素子に入力する直流電流にマイクロ波を重畳し、変調を行う技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A second method for pulsing the laser light is a method using direct modulation. In the second method, a special device other than the laser light emitting element is not required, and the entire device can be reduced in size, cost, and power consumption compared with the case of using an external device. As an example of the second method, a technique has been proposed in which a microwave is superimposed on a direct current input to a laser light emitting element to perform modulation (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載の技術は、直流電流Idcにマイクロ波を重畳してレーザ発光素子に印加する期間と、それに続く、直流電流Idcのみをレーザ発光素子に印加する期間とを有している。すなわち、マイクロ波電流を重畳していない期間にも、マイクロ波電流を重畳している期間と同じだけの直流成分(直流電流Idc)がレーザ発光素子に印加されており、レーザ光が遮断されていない。そのため、ライトシフトが発生するという問題があった。
However, the technique described in
なお、ライトシフトとは、アルカリ金属原子とレーザ光の光電場が相互作用することで、アルカリ金属原子のエネルギー準位が変化し、共鳴周波数がシフトする現象であり、そのシフト量は光強度に対して線形である。ライトシフトは、CPT方式の原子発振器において長期安定度が低下する要因となる。 Light shift is a phenomenon in which the energy level of alkali metal atoms changes due to the interaction between alkali metal atoms and the laser light photoelectric field, and the resonance frequency shifts. In contrast, it is linear. The write shift is a factor that lowers long-term stability in a CPT type atomic oscillator.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ライトシフトの小さいCPT共鳴発生方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method for generating CPT resonance with a small write shift.
本CPT共鳴発生方法は、レーザ発光素子への電流注入により少なくとも2つの波長を有するレーザ光を発生させ、前記レーザ光をアルカリ金属に照射するCPT共鳴発生方法であって、前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、第1の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、前記第1の期間及び前記第2の期間を複数回繰り返すことでラムゼイ共鳴を発生させることを要件とする。 The present CPT resonance generation method is a CPT resonance generation method in which laser light having at least two wavelengths is generated by current injection into a laser light emitting element, and an alkali metal is irradiated with the laser light, which is applied to the laser light emitting element. The value of the direct current component of the current to be generated is greater than the oscillation threshold of the laser light emitting element in the first period, and in the second period following the first period, the direct current component of the current in the first period It is a requirement that the Ramsey resonance is generated by repeating the first period and the second period a plurality of times.
開示の技術によれば、ライトシフトの小さいCPT共鳴発生方法を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a CPT resonance generation method with a small light shift.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
第1の実施の形態では、CPT共鳴発生装置、及びそれを用いたCPT共鳴発生方法、CPT共鳴検出方法について説明する。
<First Embodiment>
In the first embodiment, a CPT resonance generator, a CPT resonance generation method and a CPT resonance detection method using the same will be described.
図2は、第1の実施の形態に係るCPT共鳴発生装置の基本構成を例示するブロック図である。図2を参照するに、CPT共鳴発生装置1は、レーザ発光素子3と、アルカリ金属セル7と、電源装置9とを有する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a basic configuration of the CPT resonance generator according to the first embodiment. Referring to FIG. 2, the
CPT共鳴発生装置1では、レーザ発光素子3に電源装置9からパルス電流を入力することで、直接レーザ発光素子3の出力をパルス化する直接変調法を用いている。CPT共鳴発生装置1では、レーザ発光素子3以外に特別な装置が不要であるため、外部装置(AOMや液晶偏光子等)を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。以下、CPT共鳴発生装置1の動作等について詳しく説明する。
The
レーザ発光素子3は、アルカリ金属セル7にレーザ光を照射する光源である。レーザ発光素子3としては、例えば、面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)を用いることができる。
The laser
アルカリ金属セル7は、アルカリ金属の原子のガスが封入されたセルである。アルカリ金属としては、例えば、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)等を用いることができる。アルカリ金属セル7内にアルカリ金属の原子のガスと共にバッファガスを封入してもよい。
The
電源装置9は、レーザ発光素子3に電流を印加する装置である。電源装置9は、パルス波形を生成する機能や、パルス波形に高周波(例えば、4.6GHz)の変調信号を加える機能等を有している。電源装置9は、レーザ発光素子3に少なくとも2つの波長を有するレーザ光を発生させることができる。これに関しては、図7、図8等を参照しながら後述する。
The
電源装置9によりレーザ発光素子3を発光させ、アルカリ金属セル7にレーザ光を照射することでパルス励起を行うことができる。ここで、パルス励起とは、原子に対し時間間隔をあけてレーザを複数回照射することで、ラムゼイ共鳴を生じさせる方法である。本方法を適用することにより、CPT共鳴の線幅狭窄化とS/N比(コントラスト)改善が可能となり、短期安定度が向上する。
Pulse excitation can be performed by causing the
なお、ラムゼイ共鳴とは、原子に対し時間間隔をあけてレーザを複数回照射すると、レーザと原子との相互作用により原子が他のエネルギー準位に遷移する確率がレーザの周波数変化に対して鋭敏になる現象である。この現象を利用することで、高い精度で遷移周波数を測定可能となる。 Note that Ramsey resonance means that when a laser is irradiated multiple times with a time interval, the probability that the atom will transition to another energy level due to the interaction between the laser and the atom is sensitive to changes in the laser frequency. It is a phenomenon that becomes. By using this phenomenon, the transition frequency can be measured with high accuracy.
図3は、パルス励起法に基づいたCPT共鳴の観測方法の説明図である。図3に示すように、周期的にON/OFFを繰り返すパルス光を用いてパルス励起を行う場合、CPT共鳴を十分に励起した後、レーザ光を遮断して自由発展時間Tを経過させ、その後に観測を行うことでラムゼイ共鳴が観測可能となる。 FIG. 3 is an explanatory diagram of an observation method of CPT resonance based on the pulse excitation method. As shown in FIG. 3, in the case of performing pulse excitation using pulsed light that periodically repeats ON / OFF, after sufficiently exciting the CPT resonance, the laser light is cut off to allow the free development time T to elapse. The Ramsey resonance becomes observable by performing observations at.
そのため、パルスの立ち上がりからτ0後に観測を行い、その後パルス終端まで十分に原子を励起することを繰り返す。この時に必要とされる条件は、第1にパルス終端において原子が十分励起されていること、第2に観測タイミングτ0が十分に早いこと、第3に励起及び観測時のレーザ波長が等しいこと、である。しかしながら、図3に示すパルス励起法では、第2及び第3の条件については十分に達成することが困難である。 Therefore, observation is performed after τ 0 from the rising edge of the pulse, and then the atoms are sufficiently excited until the end of the pulse. The conditions required at this time are as follows: first, the atoms are sufficiently excited at the end of the pulse, second, the observation timing τ 0 is sufficiently early, and third, the laser wavelengths at the time of excitation and observation are equal. . However, in the pulse excitation method shown in FIG. 3, it is difficult to sufficiently achieve the second and third conditions.
そこで、本実施の形態では、図3のパルス励起法を改良して第2及び第3の条件を達成している。具体的には、図4(a)に示すように、第1の期間τ及び第2の期間Tを複数回繰り返ことでラムゼイ共鳴を発生させている。 Therefore, in the present embodiment, the second and third conditions are achieved by improving the pulse excitation method of FIG. Specifically, as shown in FIG. 4A, the Ramsey resonance is generated by repeating the first period τ and the second period T a plurality of times.
第1の期間τは、レーザ発光素子3を発光させる期間であり、レーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値が、レーザ発光素子3の発振閾値よりも大きくなるようなパルス波形が印加される。
The first period τ is a period for causing the laser
具体的には、第1の期間τでは、レーザ発光素子3の入力電流として、電源装置9からレーザ発光素子3の通常のパルス電流の立ち上がり付近をオーバードライブさせた電流Iを印加する。電流Iは、立ち上がり直後の1段目の電流I1と、1段目の電流I1よりも小さい電流値の2段目の電流I2とを含む構成とすることができる。なお、電流I1及び電流I2の電流値は、何れもレーザ発光素子3の発振閾値よりも大きい。
Specifically, in the first period τ, as the input current of the laser
1段目の電流I1として、レーザ発光素子3の通常のパルス電流よりも大きな電流を入力することで、レーザ発光素子3の内部温度の上昇を早め、出力波長の立ち上がり時間を大幅に短縮することができる。その後、1段目の電流I1よりも小さな2段目の電流I2へ変化させて、パルス終端付近においてレーザ発光素子3の出力波長が吸収線Lに一致するように制御する。
By inputting a current larger than the normal pulse current of the laser
第1の期間τに続く第2の期間T(自由発展状態)では、レーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値が、第1の期間τにおける電流の直流成分の値よりも小さく設定されている。第2の期間Tでは、レーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値が、レーザ発光素子3の発振閾値よりも小さいことが好ましく、直流成分の値が0であってもよい。
In the second period T (free development state) following the first period τ, the value of the direct current component of the current applied to the laser
このように、第2の期間Tにおいてレーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値を、第1の期間τにおいてレーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値よりも小さくすることで、第2の期間Tにおけるレーザ光の光量が減少する。そのため、ライトシフトを低減できる。
Thus, the value of the direct current component of the current applied to the laser
特に、第2の期間Tにおいてレーザ発光素子3に印加される電流の直流成分の値を、レーザ発光素子3の発振閾値よりも小さい値(0とする場合も含む)とすることで、第2の期間Tではレーザ発光素子3が発光しない状態になる。そのため、アルカリ金属の原子に照射されるレーザ光を完全に遮断することが可能となり、ライトシフトを大幅に低減することができる。
In particular, the value of the direct current component of the current applied to the laser
図4(b)に示すように、第1の期間τにおいて、レーザ発光素子3の出力波長は、吸収線Lよりも大きい値まで増加する過程と、吸収線Lよりも大きい値から吸収線Lに近づいて減少する過程とを有して変化する。言い換えれば、レーザ発光素子3の出力波長は、パルスの立ち上がりからτ0後に一度吸収線Lを通り越してから、再び吸収線Lに一致する軌跡をたどる。
As shown in FIG. 4B, in the first period τ, the output wavelength of the laser
図4(b)のレーザ発光素子3の出力波長が増加する過程において、レーザ発光素子3の出力波長が吸収線Lに一致したときに、CPT共鳴を検出することができる。このように、最初に吸収線Lを通り過ぎるτ0のタイミングでCPT共鳴を検出することで、パルス励起の観測に必要な第2及び第3の条件が達成可能となる。ここで、吸収線Lは、アルカリ金属セル7に封入されたアルカリ金属の吸収波長である。
In the process of increasing the output wavelength of the laser
なお、第2の期間Tにおいて、レーザ発光素子3に注入する電流の直流成分を完全に遮断せずにレーザ発光素子3の発振閾値より小さい電流を流しておくと、再びレーザ発光素子3を発光させてCPT共鳴を発生させる際の出力波長の立ち上がり速さを向上できる。その結果、より短い観測タイミングτ0を実現することができる。
In the second period T, if a current smaller than the oscillation threshold of the laser
このように、第1の実施の形態に係るCPT共鳴発生装置1を用いたCPT共鳴発生方法では、従来よりもライトシフトを低減できるが、それ以外にも様々な有効性があることを以下の実験により示す。
As described above, in the CPT resonance generation method using the CPT
[実験装置]
第1の実施の形態に係るCPT共鳴発生装置を基本構成とする図5に示す実験装置を作製し、CPT共鳴発生及びCPT共鳴検出に関する実験を行った。
[Experimental device]
An experimental apparatus shown in FIG. 5 having the basic configuration of the CPT resonance generator according to the first embodiment was manufactured, and experiments related to CPT resonance generation and CPT resonance detection were performed.
図5では、励起用のレーザ発光素子としてVCSEL311を用いている。VCSEL311の温度は一定に保たれている。電流駆動部312、PLL314、バイアス回路315により構成した電源装置により、図4(a)の電流波形に4.6GHzの変調信号を加えた電流を生成し、VCSEL311に印加している。PLL314には、制御部316から制御信号が入力されている。
In FIG. 5, a
アルカリ金属セル317は、直径20mm、光路長10mmの円筒型で、アルカリ原子であるCsとバッファガスであるNeが4kPa封入されている。アルカリ金属セル317の温度は、最もCPT共鳴のS/N比が高い39.00℃に保たれている。地磁気等による外部磁場を遮断するため、アルカリ金属セル317には静磁場Bを印加している。
The
VCSEL311からのレーザ光をアルカリ金属セル317に照射し、透過光を光検出器であるフォトダイオード318で検出する。フォトダイオード318の信号は、VCSEL311より出射されるレーザ光の波長を安定化させるために、ロックインアンプ319でロックイン検波された後に増幅されて電流駆動部312にフィードバックされる。ロックインアンプ319及び電流駆動部312には、ファンクションジェネレータ313が接続されている。
Laser light from the
CPT共鳴の検出のために、フォトダイオード318の信号は、サンプルホールド回路321を介してオシロスコープ等の測定器322に接続されている。サンプルホールド回路321には、パルスジェネレータ323が接続されている。サンプルホールド回路321を用いることにより、図4のτ0におけるCPT共鳴検出が可能となる。
In order to detect CPT resonance, the signal of the
この実験装置では、図6に示すように、アルカリ金属セル317に封入されているCs原子が、2つの基底準位A及びBから励起準位Cに電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。そのため、VCSEL311として搬送波波長が894.6nmに近い素子を用いている。搬送波の波長はVCSEL311の温度若しくは出力を変化させてチューニングすることができる。
In this experimental apparatus, as shown in FIG. 6, when Cs atoms enclosed in an
又、この実験装置では、少なくとも2つの波長を有するレーザ光を発生させる。具体的には、図7に示すように、VCSEL311を周波数変調させることにより、894.6nm付近の搬送波の両側にサイドバンドを発生させ、その周波数差がCs原子の固有振動数である9.2GHzに一致するように4.6GHzで変調させる。このサイドバンドである2つの異なる波長を有するレーザ光をアルカリ金属セル317に入射させる。
In this experimental apparatus, laser light having at least two wavelengths is generated. Specifically, as shown in FIG. 7, by frequency-modulating the
図8に示すように、アルカリ金属セル317中の励起されたCsガスを通過するレーザ光の透過光量は、サイドバンド周波数差がCs原子の固有周波数差に一致したときに最大となる。そこで、フォトダイオード318の出力が最大値を保持するようにフィードバックしてVCSEL311における変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なため、変調周波数は安定した値となり、この情報を出力として取り出すことができる。
As shown in FIG. 8, the amount of transmitted laser light that passes through the excited Cs gas in the
このように、この実験装置では、図4(a)の電流波形に4.6GHzの変調信号を加えた電流をVCSEL311に電流注入し、少なくとも2つの波長を有するレーザ光をアルカリ金属セル317中のCs原子に照射する。そして、図4(b)に示した第1の期間τにおいて、最初に吸収線Lを通り過ぎるτ0のタイミングでアルカリ金属セル317を通過した光をフォトダイオード318で検出する。
As described above, in this experimental apparatus, a current obtained by adding a modulation signal of 4.6 GHz to the current waveform of FIG. 4A is injected into the
なお、この実験装置では、アルカリ金属としてCsを用い、そのD1ラインの遷移を用いるために波長が894.6nmのVCSELを用いたが、CsのD2ラインを利用する場合は852.3nmのVCSELを用いることができる。又、アルカリ金属としてRbを用いることもでき、D1ラインを利用する場合は795.0nm、D2ラインを利用する場合は780.2nmのVCSELを用いることができる。又、Rbを用いる場合の変調周波数は、87Rbでは3.4GHz、85Rbでは1.5GHzである。 In this experimental apparatus, Cs is used as the alkali metal, and a VCSEL having a wavelength of 894.6 nm is used to use the transition of the D1 line. However, when using the C2 D2 line, a VCSEL of 852.3 nm is used. Can be used. Rb can also be used as the alkali metal, and a VCSEL of 795.0 nm can be used when the D1 line is used, and a 780.2 nm VCSEL can be used when the D2 line is used. The modulation frequency when using Rb is 3.4 GHz for 87Rb and 1.5 GHz for 85Rb.
[実験結果]
(実験結果1.コントラスト)
まず、図5に示す実験装置を用いて、図4に示すパルス励起(以下、本励起方法とする)を用いたCPT共鳴と、従来の連続励起によるCPT共鳴に関し、コントラスト特性の比較を行った。なお、コントラストは、CPT共鳴のS/N比を表現するために一般的に用いられている指標であり、共鳴振幅と直流成分との比である。コントラストが高い程、短期安定度の向上が期待できる。
[Experimental result]
(
First, using the experimental apparatus shown in FIG. 5, the contrast characteristics were compared between the CPT resonance using the pulse excitation shown in FIG. 4 (hereinafter referred to as the present excitation method) and the conventional CPT resonance by continuous excitation. . The contrast is an index generally used to express the S / N ratio of CPT resonance, and is the ratio between the resonance amplitude and the DC component. The higher the contrast, the better the short-term stability.
図9は、実験より得られたコントラスト特性を示している。図9において、菱形のプロットが本励起方法を用いた場合のコントラストであり、破線のプロットが連続励起を用いた場合のコントラストである(図10、図11についても同様)。なお、本励起方法については、図4に示す第2の期間T(自由発展時間)を変化させた場合の特性を測定している(図10、図11についても同様)。 FIG. 9 shows contrast characteristics obtained from experiments. In FIG. 9, the rhombus plot is the contrast when the present excitation method is used, and the broken line plot is the contrast when continuous excitation is used (the same applies to FIGS. 10 and 11). In this excitation method, the characteristics when the second period T (free development time) shown in FIG. 4 is changed are measured (the same applies to FIGS. 10 and 11).
図9に示すように、連続励起ではコントラストが約2.19%であったのに対し、本励起方法ではコントラストは最大で3.57%であった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて高いコントラストが得られ、短期安定度の向上が期待できる。 As shown in FIG. 9, the contrast was about 2.19% in continuous excitation, whereas the maximum contrast was 3.57% in this excitation method. In other words, this excitation method can provide higher contrast than continuous excitation and can be expected to improve short-term stability.
(実験結果2.共鳴線幅)
次に、本励起方法を用いたCPT共鳴と、従来の連続励起によるCPT共鳴に関し、共鳴線幅(Full Width Half Maximum:FWHM、半値全幅)特性の比較を行った。なお、共鳴線幅は狭い程、短期安定度の向上が期待できる。
(
Next, the resonance linewidth (Full Width Half Maximum: FWHM) characteristics of the CPT resonance using this excitation method and the conventional CPT resonance by continuous excitation were compared. Note that the narrower the resonance line width, the better the short-term stability.
図10は、実験より得られた共鳴線幅特性を示している。図10に示すように、連続励起では共鳴線幅が約2.96kHzであったのに対し、本励起方法では共鳴線幅が最小で405Hzであった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて大幅に狭い共鳴線幅が得られ、短期安定度の向上が期待できる。 FIG. 10 shows the resonance line width characteristics obtained from the experiment. As shown in FIG. 10, the resonance line width was about 2.96 kHz in the continuous excitation, whereas the resonance line width was 405 Hz at the minimum in this excitation method. That is, in this excitation method, a resonance line width that is significantly narrower than that of continuous excitation can be obtained, and an improvement in short-term stability can be expected.
(実験結果3.短期安定度の性能指数)
次に、本励起方法を用いたCPT共鳴と、従来の連続励起によるCPT共鳴に関し、短期安定度の性能指数について比較を行った。
(
Next, a short-term stability figure of merit was compared for CPT resonance using this excitation method and CPT resonance by conventional continuous excitation.
CPT共鳴の周波数安定度を表現するための指標としてアラン標準偏差が一般的に用いられている。アラン標準偏差の短期安定度は、共鳴線幅をコントラストで割った値に比例し、値が小さいほど特性が良好である。それゆえ、コントラストを共鳴線幅で割った値が性能指数として用いられている。 Alan standard deviation is generally used as an index for expressing the frequency stability of CPT resonance. The short-term stability of the Allan standard deviation is proportional to the value obtained by dividing the resonance line width by the contrast, and the smaller the value, the better the characteristics. Therefore, the value obtained by dividing the contrast by the resonance line width is used as the figure of merit.
図11は、実験より得られた性能指数を示している(連続励起の性能指数を1として規格化した値を用いている)。図11に示すように、連続励起に対し、本励起方法の性能指数は最大で6.72であった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて6.72倍の性能改善が期待できることが分かり、本励起方法の有効性が確認された。 FIG. 11 shows the figure of merit obtained from the experiment (the value normalized with the figure of merit of continuous excitation as 1 is used). As shown in FIG. 11, the figure of merit of this excitation method was 6.72 at the maximum with respect to continuous excitation. That is, it was found that the present excitation method can expect a performance improvement of 6.72 times compared to the continuous excitation, and the effectiveness of this excitation method was confirmed.
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に係るCPT共鳴発生装置を基本構成として備えた原子発振器について例示する。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an atomic oscillator including the CPT resonance generator according to the first embodiment as a basic configuration will be exemplified. In the second embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
図12は、第2の実施の形態に係る原子発振器の構造を例示する図である。図12を参照するに、原子発振器10は、主要な構成要素として、レーザ発光素子30、ND(Neutral Density)フィルタ40、コリメータレンズ50、4分の1波長板60、アルカリ金属セル70、光検出器80、変調器200等を有している。
FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of the atomic oscillator according to the second embodiment. Referring to FIG. 12, the
原子発振器10において、レーザ発光素子30より出射された光は、NDフィルタ40、コリメータレンズ50、及び4分の1波長板60を介して、アルカリ金属セル70に照射され、アルカリ金属セル70に封入されたアルカリ金属原子における電子を励起する。アルカリ金属セル70を透過した光は、受光部である光検出器80で受光され、光検出器80で受光された信号は変調器200にフィードバックされ、変調器200によりレーザ発光素子30を変調する。
In the
以下、原子発振器10の構造について、より詳しく説明する。なお、本実施の形態では、便宜上、原子発振器10の光検出器80側を上側、後述のパッケージ110側を下側とする。但し、原子発振器10は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を励起光の進行方向から視ることを指すものとする。
Hereinafter, the structure of the
原子発振器10は回路基板15を有しており、回路基板15上に主要な構成部品が縦方向に形成されている。具体的には、回路基板15上には、アルミナ基板20が設けられており、アルミナ基板20上にはレーザ発光素子30が設置されている。レーザ発光素子30としては、例えば、面発光レーザ(VCSEL)等を用いることができる。なお、アルミナ基板20には、レーザ発光素子30の温度を制御するためのヒータ25が設けられている。
The
レーザ発光素子30の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ101を介して、NDフィルタ40が設置されている。NDフィルタ40の上面には、コリメータレンズ50が設置されている。NDフィルタ40の上方の所定位置には、シリコン等により形成されたスペーサ102を介して、4分の1波長板60が設置されている。
An
4分の1波長板60の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ103を介して、アルカリ金属セル70が設置されている。アルカリ金属セル70は、対向する2枚のガラス基板71の外縁部同士がシリコン基板72を介して接合された構造であり、ガラス基板71とシリコン基板72に囲まれた部分に、アルカリ金属の原子のガスが封入されている。
An
アルカリ金属の例は前述の通りである(Cs等)。なお、アルカリ金属セル70内にアルカリ金属の原子のガスと共にNe等のバッファガスを封入してもよい。アルカリ金属セル70の両側には、ガラス基板71の表面にセル用ヒータ配線が設けられており、アルカリ金属セル70を所定の温度に設定することができる。
Examples of the alkali metal are as described above (Cs and the like). Note that a buffer gas such as Ne may be enclosed in the
アルカリ金属セル70の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ104を介して、光検出器80が設置されている。光検出器80としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。
A
回路基板15上に形成された各構成部品は、例えばセラミック製のパッケージ110のキャビティ部に配置されている。パッケージ110のキャビティ部には複数の内部パッド120が設けられている。内部パッド120は、アルカリ金属セル70のガラス基板71上に形成されたヒータ配線のパッド部75とワイヤ131により接続されている。
Each component formed on the circuit board 15 is arranged in a cavity portion of a
又、内部パッド120は、光検出器80の配線とワイヤ132により接続されている。同様に、レーザ発光素子30の配線、レーザ発光素子30用ヒータの配線等も、内部パッド120に夫々ワイヤボンド等で接続されている。各内部パッド120は、配線125を介して外部端子129と導通している。
The
以上のようにして、配線を全てパッケージ110の内部パッド120と接続した後に、例えばセラミック製のリッド140をパッケージ110の外周部と接触するように配置し、高真空環境下で接着させる。これにより、パッケージ110とリッド140の内部を高真空封止することができる。例えば、予めパッケージ110とリッド140とが接触する領域の表面をメタライズしておき、夫々のメタライズされた領域に、はんだやAuSn等の金属接着層を形成し、高真空下で高温に加熱することでパッケージ110とリッド140とを接着できる。
After all the wirings are connected to the
外部端子129は、変調器200と電気的に接続されている。光検出器80において検出された信号を変調器200にフィードバックし、変調器200によりレーザ発光素子30からのレーザ光の変調周波数を調整することができる。
The
本実施の形態に係る原子発振器10に、第1の実施の形態に係るCPT共鳴検出方法(パルス励起方法)を適用することで、ライトシフトを低減することが可能となり、長期安定度を向上させることができる。又、パワーブロードニングが抑制され共鳴Q値が向上されるため、高い短期安定度が得られる。更に、レーザ発光素子30以外に特別な光変調装置が不要なため、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。
By applying the CPT resonance detection method (pulse excitation method) according to the first embodiment to the
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、第1の実施の形態に係るCPT共鳴発生装置を基本構成として備えた磁気センサについて例示する。なお、第3の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, a magnetic sensor including the CPT resonance generator according to the first embodiment as a basic configuration will be exemplified. Note that in the third embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
第2の実施の形態と同様の構成(図12参照)により、磁気センサを実現することができる。図8に示すように、励起されたCsガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がCs原子の固有周波数差に一致したときに最大となるが、固有周波数差はアルカリ金属セル70に作用する外部磁場によってシフトする。従って、共鳴周波数を測定することで外部磁場の値を計測することができる。
A magnetic sensor can be realized by a configuration similar to that of the second embodiment (see FIG. 12). As shown in FIG. 8, the laser light passing through the excited Cs gas becomes maximum when the sideband frequency difference matches the natural frequency difference of the Cs atoms, but the natural frequency difference acts on the
外部磁場によるシフト量は、ゼーマン分裂した超微細構造準位の磁気量子数mfによって異なる。固有周波数差の外部磁場によるシフトを原子発振器として利用する場合は、磁場に対する固有周波数差のシフト量が最も小さい磁気量子数mf=[0,0]の時計遷移を利用することが望ましい。 The amount of shift due to the external magnetic field differs depending on the magnetic quantum number mf of the hyperfine structure level that is Zeeman split. When the shift of the natural frequency difference by the external magnetic field is used as an atomic oscillator, it is desirable to use the clock transition of the magnetic quantum number mf = [0, 0] with the smallest shift amount of the natural frequency difference with respect to the magnetic field.
これに対して、固有周波数差の外部磁場によるシフトを磁気センサとして利用する場合は、磁場に対する固有周波数差のシフト量がより大きい遷移(例えば、磁気量子数mf=[3,3])を用いることが望ましい。又、シフト量の異なる磁気量子数間の周波数差分を測定することで、高精度に外部磁場を計測することができる。 On the other hand, when the shift of the natural frequency difference due to the external magnetic field is used as a magnetic sensor, a transition having a larger shift amount of the natural frequency difference with respect to the magnetic field (for example, the magnetic quantum number mf = [3, 3]) is used. It is desirable. In addition, the external magnetic field can be measured with high accuracy by measuring the frequency difference between the magnetic quantum numbers having different shift amounts.
本実施の形態に係る磁気センサに、第1の実施の形態に係るCPT共鳴検出方法(パルス励起方法)を適用することで、パワーブロードニングが抑制され共鳴Q値が向上されるため、非常に高精度に周波数差を検出することができる。つまり、磁気センサとして利用する際には、外部磁場の読み取り精度を向上させることができる。又、レーザ発光素子30以外に特別な光変調装置が不要なため、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。
By applying the CPT resonance detection method (pulse excitation method) according to the first embodiment to the magnetic sensor according to the present embodiment, power broadening is suppressed and the resonance Q value is improved. A frequency difference can be detected with high accuracy. That is, when used as a magnetic sensor, the reading accuracy of the external magnetic field can be improved. Further, since no special light modulation device other than the laser
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
1 CPT共鳴発生装置
3、30 レーザ発光素子
7、70、317 アルカリ金属セル
9 電源装置
10 原子発振器
40 NDフィルタ
50 コリメータレンズ
60 4分の1波長板
80 光検出器
200 変調器
311 VCSEL
312 電流駆動部
313 ファンクションジェネレータ
314 PLL
315 バイアス回路
316 制御部
318 フォトダイオード
319 ロックインアンプ
321 サンプルホールド回路
322 測定器
323 パルスジェネレータ
DESCRIPTION OF
312
315
Claims (13)
前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、
第1の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、
前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、
前記第1の期間及び前記第2の期間を複数回繰り返すことでラムゼイ共鳴を発生させることを特徴とする、CPT共鳴発生方法。 A method for generating CPT resonance in which laser light having at least two wavelengths is generated by current injection into a laser light emitting element, and an alkali metal is irradiated with the laser light,
The value of the direct current component of the current applied to the laser light emitting element is:
In the first period, greater than the oscillation threshold of the laser light emitting element,
In the second period following the first period, the value is smaller than the value of the direct current component of the current in the first period,
A method of generating CPT resonance, wherein Ramsey resonance is generated by repeating the first period and the second period a plurality of times.
前記レーザ光の波長は、前記アルカリ金属の吸収波長よりも小さい値から前記吸収波長よりも大きい値まで増加する過程と、前記吸収波長よりも大きい値から前記吸収波長に近づいて減少する過程と、を有して変化することを特徴とする、請求項1乃至3の何れか一項に記載のCPT共鳴発生方法。 In the first period,
The wavelength of the laser light is increased from a value smaller than the absorption wavelength of the alkali metal to a value larger than the absorption wavelength, and is decreased from a value larger than the absorption wavelength toward the absorption wavelength. The CPT resonance generation method according to claim 1, wherein the CPT resonance generation method varies.
前記レーザ発光素子に印加される電流値は、立ち上がり直後の第1の値と、前記第1の値よりも小さい第2の値と、を有することを特徴とする、請求項1乃至4の何れか一項に記載のCPT共鳴発生方法。 In the first period,
5. The current value applied to the laser light emitting element has a first value immediately after rising and a second value smaller than the first value. 6. The method for generating CPT resonance according to claim 1.
前記増加する過程において前記吸収波長に波長が一致したときに、前記アルカリ金属を通過した光を検出することを特徴とする、CPT共鳴検出方法。 A method for detecting CPT resonance generated by the CPT resonance generation method according to claim 4, comprising:
A CPT resonance detection method, wherein light that has passed through the alkali metal is detected when the wavelength matches the absorption wavelength in the increasing process.
前記レーザ光を出射するレーザ発光素子と、
前記レーザ発光素子に電流を印加する電源装置と、を備え、
前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、
第1の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、
前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、
前記第1の期間及び前記第2の期間が複数回繰り返されることを特徴とする、CPT共鳴発生装置。 An alkali metal cell in which an alkali metal is enclosed and laser light having at least two wavelengths is incident;
A laser light emitting element for emitting the laser light;
A power supply device for applying a current to the laser light emitting element,
The value of the direct current component of the current applied to the laser light emitting element is:
In the first period, greater than the oscillation threshold of the laser light emitting element,
In the second period following the first period, the value is smaller than the value of the direct current component of the current in the first period,
The CPT resonance generator, wherein the first period and the second period are repeated a plurality of times.
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